Java中的并发容器：CopyOnWriteArrayList详解

1. 容器概述与问题背景
在多线程环境下，对传统集合类（如ArrayList）进行并发读写会引发数据不一致或并发修改异常（ConcurrentModificationException）。例如，一个线程正在遍历列表，另一个线程同时修改列表结构（增删元素），就会导致遍历失败。CopyOnWriteArrayList是JUC包提供的线程安全列表，专门解决这类问题。

2. 核心设计思想：写时复制

• 基本逻辑：当需要修改容器（增、删、改操作）时，不直接修改原数组，而是先复制一份当前数组的副本，在副本上执行修改操作，完成后再将原数组引用指向新数组。
• 读写分离：读操作（如get、遍历）始终基于原数组进行，无需加锁；写操作通过复制新数组保证线程安全。这种设计使得读操作极其高效，适用于读多写少的场景。

3. 内部实现机制

public class CopyOnWriteArrayList<E> {
    private transient volatile Object[] array; // volatile保证可见性

    // 读操作：直接返回元素，无锁
    public E get(int index) {
        return (E) array[index];
    }

    // 写操作：加锁复制新数组
    public boolean add(E e) {
        synchronized (lock) { // 使用重入锁保证原子性
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 复制新数组
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements); // 替换原数组引用
            return true;
        }
    }
}

4. 关键特性详解

• 最终一致性：读操作可能无法立即看到其他线程的修改，但能保证最终看到写入结果（通过volatile的happens-before规则）。
• 迭代器弱一致性：迭代器创建时会保存当前数组快照，遍历过程中不会反映其他线程的修改，但不会抛出ConcurrentModificationException。
• 内存开销：每次写操作都需要复制整个数组，频繁修改时内存占用较大，可能触发GC。

5. 适用场景与局限性

• 适用场景：
  • 读操作远多于写操作（如监听器列表、配置信息缓存）。
  • 集合规模较小，写操作频率低。
• 不适用场景：
  • 写操作频繁或数据量大的场景（复制成本高）。
  • 需要实时读取最新数据的场景（读操作可能读取旧数据）。

6. 与同步容器的对比

• Vector/SynchronizedList：通过synchronized同步所有方法，读写的并发性能均较差。
• CopyOnWriteArrayList：读操作完全无锁，写操作通过复制避免阻塞读操作，在读多写少时性能显著优于同步容器。

7. 实战示例

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
// 线程1：循环读取（不受写操作阻塞）
new Thread(() -> {
    for (String s : list) { // 迭代器基于初始快照
        System.out.println(s);
    }
}).start();

// 线程2：添加元素
new Thread(() -> {
    list.add("new element"); // 写操作复制新数组
}).start();

总结：CopyOnWriteArrayList通过写时复制策略，以空间换时间，实现了读操作的高并发性。使用时需权衡其读写特性和内存开销，确保符合业务场景需求。